一種新型縫隙耦合雙頻RFID標簽天線

1引言

射頻識別（RFID）技術在后勤物資分配，制造業(yè)，郵政服務業(yè)等方面的應用已經變得相當的普遍。標簽天線是射頻識別系統(tǒng)中一個非常重要的部件，它負責進出標簽的信號的接收和發(fā)射。不同國家允許RFID使用的頻段是不同的，例如920~925MHz(中國),952~954MHz（日本),868~870MHz(歐洲)以及902~928MHz(美國)。為了能使RFID系統(tǒng)可以同時工作在不同的波段，要求天線必須有足夠的帶寬，或者具有多頻工作特性。為此，諸如使用更厚的襯底，孔縫諧振，耦合諧振，加載電抗等技術可以拓寬天線的帶寬或者使天線能同時工作在兩個頻段。

其中一種設計方法是，在一個工作在910MHz的偶極子天線中加入縫隙耦合結構，使得天線也可以在2.45GHz頻段工作。本文在此基礎上，提出了一個結構更為緊湊的雙頻RFID標簽天線。此天線結構與之相比，整體長度減少了10mm，但同樣可以獲得良好的性能。只要選擇適當的耦合縫隙尺寸，就可以實現天線的雙頻工作特性。本文所設計的雙頻天線滿足-10dB回波損耗帶寬分別是840MHz到940MHz（11%）和2.26GHz到2.56GHz（12%）。

2天線設計

本文所設計天線的結構如圖1所示。

圖1雙頻標簽天線結構圖

天線制作在相對介電常數為4.4，厚度為1.6mm的FR4介質基片上。天線的基本結構是一個采用中心饋電的對稱偶極子結構。為使天線具有雙頻特性，在長度為L1的偶極子結構中加入了三個長度分別為L2、L3、L4的耦合縫隙。使得長度為L1的偶極子結構末端處電流和長度為L2的耦合縫隙末端處的電流相位差約為180°。如圖2所示的是天線表面電流分布圖。頻率在910MHz時，天線表面電流強度分布由中央向兩端逐漸減小，而頻率是2.45GHz時，天線表面電流分布則主要集中在天線中央長度大約為L2的部分上。這表明，天線可看成是兩個獨立的偶極子天線組合而成，其中一個長度為L1，工作頻段為910MHz附近，另一個長度為L2。工作頻段為2.45GHz附近。可見，通過控制L1、L2的長度，就可調節(jié)天線兩個不同的工作頻段。

(a)910MHz(b)2.45GHz

圖2天線的表面電流分布圖

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS對上述結構進行仿真分析與優(yōu)化設計。在設計中，可首先根據文獻和經驗確定各參數的初始值。初始值的確定可根據下述方式：對于長度L1和L2，根據對稱偶極子天線的設計理論，選取準則為工作波段波長的四分之一的整數倍。設計時中心頻率設定為910MHz和2.45GHz，對應的自由空間波長分別為330mm和122mm，L1的長度取為四分之一波長的兩倍，即165mm；L2選為四分之一波長，即30mm。其它參數根據文獻[6]的結果，分別取為L3=17mm，L4=24mm，W=15mm，W1=W2=5mm，S=d=1mm，Sfeed=2mm.

在上述參數的基礎上，使用HFSS進行仿真分析。在優(yōu)化過程中發(fā)現，隨著長度L2的增加，天線的較高的諧振頻率會向低頻帶下降，而較低的諧振頻率則幾乎不變。圖3則給出了長度L2的變化與天線諧振頻率之間的關系。

圖3天線回波損耗與長度L2的關系